Ultrasnelle röntgenpulsen, die slechts enkele biljoensten van een seconde duren, hebben baanbrekende inzichten opgeleverd in de mysterieuze transformatie van een vaste stof in een vloeistof. Dit onderzoek, gepubliceerd in het prestigieuze tijdschrift Nature Physics, onthult de verborgen dynamiek en tijdschalen die betrokken zijn bij deze fundamentele faseovergang.

Wanneer een vast materiaal wordt verwarmd, beginnen de atomen ervan te trillen met toenemende energie. Bij een specifieke temperatuur, het smeltpunt genoemd, worden de trillingen zo intens dat de atomen loskomen uit hun vaste posities en het materiaal overgaat in een vloeibare toestand. De exacte opeenvolging van gebeurtenissen die tijdens deze transitie plaatsvinden, is echter ongrijpbaar gebleven, voornamelijk vanwege de extreem korte tijdschema's die ermee gemoeid zijn.

Om deze uitdaging te overwinnen, hebben onderzoekers onder leiding van professor John Botha van de Universiteit van Hamburg in Duitsland een geavanceerde röntgentechniek gebruikt, genaamd X-ray photon correlatie spectroscopie (XPCS). Door ultrasnelle röntgenpulsen te genereren en de verstrooide röntgenstralen te analyseren, konden ze de tijdelijke structurele veranderingen in een massief kopermonster onderzoeken dat een plotselinge temperatuursprong onderging.

Hun bevindingen laten een opmerkelijke reeks gebeurtenissen zien die zich op ultrasnelle tijdschalen afspelen. De eerste stadia van het smelten omvatten de kernvorming van vloeistofdruppeltjes in het vaste koper. Deze druppeltjes groeien snel en vloeien samen, waardoor de kristallijne orde geleidelijk wordt uitgehold totdat het hele materiaal in een vloeibare toestand verandert.

Interessant is dat de XPCS-techniek niet alleen de faseovergang in het bulkmateriaal vastlegt, maar ook cruciale informatie onthult over het gedrag nabij de vast-vloeistofgrensvlakken. Deze grensvlakken vertonen een unieke dynamiek, waarbij atomen zowel vaste als vloeistofachtige eigenschappen vertonen. Het begrijpen van deze grensvlakeffecten is essentieel voor het verkrijgen van inzicht in verschillende gebieden van de natuurkunde en materiaalkunde, variërend van smeltverschijnselen tot kristalgroei.

Naast de implicaties voor de fundamentele wetenschap heeft dit onderzoek verreikende implicaties voor gebieden als materiaalverwerking, metallurgie en zelfs biologie. Het beheersen van de snelheid van faseovergangen is bijvoorbeeld van cruciaal belang bij productieprocessen waarbij materialen smelten en stollen. Door de onderliggende dynamiek te ontrafelen kunnen doorbraken worden bereikt in de ontwikkeling van verbeterde materialen met op maat gemaakte eigenschappen, wat een revolutie teweeg kan brengen in de industrie.

Bovendien kan het bestuderen van faseovergangen, zoals professor Botha suggereert, ook licht werpen op verschijnselen die verder gaan dan de fysica van de gecondenseerde materie. Fenomenen zoals glasovergangen en zelfs biologische faseovergangen, waargenomen in complexe systemen zoals cellen, kunnen overeenkomsten vertonen met deze fundamentele smeltdynamiek. Het lijkt erop dat de zoektocht om faseovergangen te begrijpen veel verder reikt dan de vast-vloeistofovergang in koper, en opent wegen voor baanbrekende onthullingen over het hele wetenschappelijke spectrum.